Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Dipeptidil Peptidasi 4
DPP4


Molecola del Mese di Ottobre 2016
Gli inibitori della dipeptidil peptidasi 4 sono usati per la cura del diabete di tipo 2

Introduzione
Vi siete mai chiesti come fa il nostro corpo a regolare i suoi processi, in modo che ogni cellula abbia esattamente le risorse di cui ha bisogno? Questa delicata regolazione, chiamata omeostasi, è realizzata con una continua comunicazione e cooperazione tra le cellule che si trovano nei diversi distretti del corpo. Una delle principali omeostasi è quella che regola il livello di glucosio nel sangue realizzata da una serie di ormoni tra cui insulina (mdm 2-2001 e 2-2015) e glucagone (mdm 4-2015). Quando mangiamo, le cellule del sistema digerente secernono incretine, ormoni che comunicano al corpo che il glucosio è disponibile nel sangue. Questi ormoni vanno al pancreas e lo inducono a rilasciare insulina che segnala alle cellule del corpo, come quelle del muscolo o del fegato, di incamerare glucosio e di trattenerlo per un uso successivo. Quando i livelli di glucosio scendono, lontano dai pasti, l'ormone glucagone dice alle cellule di rilasciare il glucosio che hanno accumulato. I due effetti complementari di insulina e glucagone sono controllati dal livello di incretine ed assicurano che la concentrazione di glucosio nel sangue rimanga sempre vicino al valore ideale che ne consente il consumo da parte delle cellule che ne hanno bisogno, senza però mai superare un certo livello. Un eccesso di glucosio nel sangue è pericoloso per le proteine del nostro corpo, che, reagendo col glucosio, vengono alterate in modo permanente.


Dipeptidil Peptidasi 4 (DPP4)
Dato che gli ormoni controllano momento per momento le funzioni del nostro corpo, i loro segnali devono variare rapidamente quando cambiano le condizioni. Dipeptidil Peptidasi 4 (DPP4) mostrata qui sopra dal file PDB 1nu8, contribuisce a realizzare questa regolazione. Si tratta di una proteina legata alla membrana che è formata da due subunità identiche mostrate qui in blu e verde. Ognuna contiene due domini. Il dominio nella parte superiore di ogni subunità interagisce con altre proteine extracellulari, mentre il dominio in basso contiene la triade di amminoacidi del sito attivo. DPP4 si trova sulla superficie delle cellule di tutto il corpo e svolge più ruoli: interagisce con molte proteine ed è essenziale nella segnalazione cellulare e nell'infiammazione e disattiva numerosi ormoni, incluse le incretine, tagliando due amminoacidi (un dipeptide) dalla coda della loro catena proteica. Dato che ci sono molte DPP4 in giro, le incretine (come GLP1 e GIP) possono circolare solo per pochi minuti prima di essere disattivate e questo consente di realizzare una comunicazione efficace tra le cellule che producono incretina nell'intestino e i loro bersagli, le cellule che producono insulina e glucagone nel pancreas.

Tagliare Peptidi
DPP4 taglia il legame ammidico degli ormoni bersaglio che hanno prolina o alanina nella posizione n° 2 della catena. La reazione di taglio è realizzata da una triade di amminoacidi simile a quella delle proteasi alla serina come tripsina (mdm 10-2003), chimotripsina ed elastasi. Una serina realizza la reazione di taglio ed è attivata da una istidina e da un acido aspartico. Due acidi glutammici aiutano la reazione legandosi all'amminoacido terminale della catena dell'ormone e trattenendolo nella posizione ideale. DPP4 è uno dei pochi enzimi in grado di tagliare una catena proteica vicino ad una prolina, e ci riesce grazie ad una tasca apolare nella quale può alloggiare perfettamente la prolina. La comprensione delle interazioni tra DPP4 e gli ormoni che deve tagliare, ha permesso di sviluppare inibitori per DPP4.

Substrati di DPP4
DPP4 taglia ormoni peptidici come le incretine, il neuropeptide Y (file PDB 1ron),
la chemochina eotaxina (file PDB 1eot), e così consente che questi siano attivi solo quando servono. Tutti questi ormoni hanno una struttura simile, con prolina o alanina nella seconda posizione della catena.
I due ormoni incretina, GLP-1 (glucagon-like peptide-1, file PDB 1d0r) e GIP (glucosio-dipendente insulino-tropic polipeptide, file PDB 2b4n), si sono rivelati di particolare interesse per la cura del diabete di tipo 2.
Nella figura qui a fianco sono mostrati quattro substrati di DPP4 e un suo inibitore. Nei quattro substrati, i due amminoacidi terminali in basso, in blu e verde, vengono tagliati da DPP4 e rilasciati come dipeptidi. La quinta struttura è l'inibitore exendina-4 (file PDB 1jrj) che non può essere tagliato perchè ha un amminoacido di glicina nella seconda posizione che non viene riconosciuto da DPP4.


Curare il Diabete di Tipo 2
Le persone con il diabete mellito hanno livelli pericolosamente alti di glucosio nel sangue a causa di un basso livello di insulina. Una delle strategie di cura consiste nell'inibire DPP4 in modo da consentire alle incretine di agire più a lungo e stimolare la produzione di insulina. I ricercatori hanno cercato di ottenere questo risultato in due modi.
Con il primo, hanno sviluppato analoghi di GLP-1 e GIP, cioè ormoni che non possono essere rotti da DPP4. Per esempio, il farmaco exenatina è stato sviluppato da exendina-4 (file PDB 1jrj) una molecola simile alle incretine che si trova nel veleno del Mostro di Gila, uno strano sauro dalla coda tozza del nord America. Questa molecola, dato che non viene tagliata da DPP4, può restare nel sangue più a lungo e così stimola la produzione di più insulina e aiuta a diminuire i livelli ematici di glucosio. Dato però che questi analoghi delle incretine sono piccole proteine, devono essere somministrate per iniezione.
Con il secondo approccio si usano farmaci che possono essere assunti per bocca per bloccare l'azione di DPP4 per consentire alle nostre incretine naturali di circolare più a lungo nel sangue.


Esplorando la Struttura
Inibitori delle DPP4
Nel 2006 la FDA Food and Drug Administration ha approvato il primo farmaco inibitore di DPP4, la sitagliptina (mostrata nella figura qui a fianco, file PDB 1x70) che è stata subito seguita da molti altri farmaci anti diabete di tipo 2 chiamati collettivamente gliptine. Tutti questi farmaci mimano la parte terminale della coda delle incretine e così bloccano il sito attivo di DPP4 impedendogli di disattivare gli ormoni.
Se passate con il mouse sull'immagine qui a destra, potete confrontare il farmaco sitagliptina con un analogo del substrato naturale (file PDB 1nu8) che possiede una prolina nella seconda posizione, riconoscibile per l'anello a cinque atomi sulla destra, che include un azoto (blu).
La sitagliptina, al posto della prolina, ha un anello benzenico legato a tre atomi di fluoro (verdi) che viene riconosciuto dalla DPP4, ma la molecola non può essere tagliata perchè non è un peptide.
In basso nella figura, si vede la triade di amminoacidi del sito attivo (in ciano) che realizza il taglio del peptide. Da destra verso sinistra: serina, istidina, acido aspartico.









Nelle immagini qui sotto sono mostrate altre cinque di queste gliptine riprese dalla stessa angolazione nel sito attivo della DPP4.

Nella prima immagine interattiva qui sotto a sinistra si vede il farmaco teneligliptina (file PDB 3vjk) sovrapposto ad un analogo del substrato naturale (file PDB 1nu8). Anche qui, del farmaco, si nota l'anello a cinque in basso nella stessa posizione della prolina del substrato.

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Nell'immagine interattiva qui sopra a destra si vedono altri due farmaci vildagliptina (file PDB 3w2t) e saxagliptina (file PDB 3bjm) e si nota anche qui che imitano la struttura dell'anello della prolina (in centro a destra).


Infine, nell'ultima immagine qui a fianco, si vedono i due farmaci alogliptina (file PDB 3g0b) e linagliptina (file PDB 2rgu).

























Spunti per Ulteriori Esplorazioni
Le strutture di molti altri ormoni che sono tagliati da DPP4 sono disponibili nel PDB, compreso il peptide YY (file PDB 2dez) e la chemochina RANTES (file PDB 1rtn). Date un'occhiata a queste molecole e trovate il dipeptide che è tagliato da DPP4.
Usate la "Protein Feature View" di DPP4 per vedere le porzioni dell'enzima che non sono incluse nella struttura.


Bibliografia
D. Rohrborn, N. Wronkowitz & J. Eckel (2015) DPP4 in diabetes. Frontiers in Immunology 6, article 386.
3w2t: M. Nabeno, F. Akahoshi, H. Kishida, I. Miyaguchi, Y. Tanaka, S. Ishii & T. Kadowaki (2013) A comparative study of the binding modes of recently launched dipeptidyl peptidase IV inhibitors in the active site. Biochemical and Biophysical Research Communications 434, 191-196.
H. Zhong, X. Rao & S. Rajagopalan (2013) An emerging role of dipeptidyl peptidase 4 (DPP4) beyond glucose control: potential implications in cardiovascular disease. Atherosclerosis 226, 305-314.
3vjk: T. Yoshida, F. Akahoshi, H. Sakashita, H. Kitajima, M. Nakamura, S. Sonda, M. Takeuchi, Y. Tanaka, N. Ueda, S. Sekiguchi, T. Ishige, K. Shima, M. Nabeno, Y. Abe, J. Anabuki, A. Soejima, K. Yoshida, Y. Takashina, S. Ishii, S. Kiuchi, S. Fukuda, R. Tsutsumiuchi, K. Kosaka, T. Murozono, Y. Nakamaru, H. Utsumi, N. Masutomi, H. Kishida, I. Miyaguchi & Y. Hayashi (2012) Discovery and preclinical trials of teneligliptin (3-[(2S,4S)-4-[4-(3-methyl-1-phenyl-1H-pyrazol-5-yl)piperazin-1-yl]pyrrolidin-2-ylcarbonyl]thiazolidine): a highly potent, selective, long-lasting and orally active dipeptidyl peptidase IV inhibitor for the treatment of type 2 diabetes. Bioorganic and Medicinal Chemistry 20, 5705-5719.
3g0b: Z. Zhang, M. B. Wallace, J. Feng, J. A. Stafford, R. J. Skene, L. Shi, B. Lee, K. Aertgeerts, A. Jennings, R. Xu, D. B. Kassel, S. W. Kaldor, M. Navre, D. R. Webb & S. L. Gwaltney (2011) Design and synthesis of pyrimidinone and pyrimidinedione inhibitors of dipeptidyl peptidase IV. Journal of Medicinal Chemistry 54, 510-524.
3bjm: W. J. Metzler, J. Yanchunas, C. Weigelt, K. Kish, H. E. Klei, D. Zie, Y. Zhang, M. Corbett, J. K. Tamura, B. He, L. G. Hamann, M. S. Kirby & J. Marcinkeviciene (2008) Involvement of DPP-IV catalytic residues in enzyme-saxagliptin complex formation. Protein Science 17, 240-250.
2rgu: M. Eckhardt, E. Langkopf, M. Mark, M. Tadayyon, L. Thomas, H. Nar, W. Pfrengle, B. Guth, R. Lotz, P. Sieger, H. Fuchs & F. Himmelsbach (2007) 8-(3-(R)-aminopiperidin-1-yl)-7-but-2-ynyl-3-methyl-1-(4-methyl-quinazolin-2-ylmethyl)-3,7-dihydropurine-2,6-dione (BI 1356), a highly potent, selective, long-lasting, and orally bioavailable DPP-4 inhibitor for the treatment of type 2 diabetes. Journal of Medicinal Chemistry 50, 6450-6453.
2b4n: I. Alana, J. C. Parker, V. A. Gault, P. R. Flatt, F. P. O’Harte, J. P. Malthouse & C. M. Hewage (2006) NMR and alanine scan studies of glucose-dependent insulinotropic peptide in water. Journal of Biological Chemistry 281, 16370-16376.
1x70: D. Kim, L. Wang, M. Beconi, G. J. Eiermann, M. H. Fisher, H. He, G. J. Hickey, J. E. Kowalchick, B. Leiting, K. Lyons, F. Marsilio, M. E. McCann, R. A. Patel, A. Petrov, G. Scapin, S. B. Patel, R. S. Roy, J. K. Wu, M. J. Wyvratt, B. B. Zhang, L. Zhu, N. A. Thornberry & A. E. Weber (2005) (2R)-4-oxo-4-[3-(trifluoromethyl)-5,6-dihydro[1,2,4]triazolo[4,3-a]pyrazin-7(8H)-yl]-1-(2,4,5-trifluorophenyl)butan-2-amine: a potent, orally active dipeptidyl peptidase IV inhibitor for the treatment of type 2 diabetes. Journal of Medicinal Chemistry 48, 141-151.
1nu8: R. Thoma, B. Loeffler, M. Stihle, W. Huber, A. Ruf & M. Hennig (2003) Structural basis of proline-specific exopeptidase activity as observed in human dipeptidyl peptidase-IV. Structure 11, 947-959.
1d0r: X. Chang, D. Keller, S. Bjorn & J. J. Led (2001) Structure and folding of glucagon-like peptide-1-(7-36)-amide in trifluoroethanol studied by NMR. Magnetic Resonance Chemistry 39, 477-483.
1jrj: J. W. Neidigh, R. M. Fesinmeyer, K. S. Prickett & N. H. Andersen (2001) Exendin-4 and glucagon-like-peptide-1: NMR structural comparisons in the solution and micelle-associated states. Biochemistry 40, 13188-13200.
1eot: M. P. Crump, K. Rajarathnam, K. S. Kim, I. Clark-Lewis & B. D. Sykes (1998) Solution structure of eotaxin, a chemokine that selectively recruits eosinophils in allergic inflammation. Journal of Biological Chemistry 273, 22471-22479.
1ron: S. A. Monks, G. Karagianis, G. J. Howlett & R. S. Norton (1996) Solution structure of human neuropeptide Y. Journal of Biomolecular NMR 8, 379-390.